一种无人机通信天线伺服系统的构建

图ｌ全系统原理框图
站位置和车头方向的数据，电动机控制器、位置编码器、伺服电机构成了伺服回路，带动减速器驱动转台旋转，光电开关是初始化时使天线对准车头的基准限位，并在运行过程中可以消除位置编码器累计误差。

为实现转台任意旋转，系统中选用高频导电滑环进行转台上下两端的信号传输。

２系统方案
２．１转动角解算川
在无人机（ＵＡＶ）当前经纬度、本地经纬度、车头方向都已知的条件下，就可以利用图２所示关系求得无人机与车头方向的夹角，通过位置编码器可知当前天线方向，即可知天线转动角度。

图２指向角度关系
也）
图２所示的跟踪指向角Ａ：推导过程如下：
（１）先将无人机经纬度转换到地心坐标系。

ｆｘ２１ｆ（Ⅳ２＋也）ｃｏ＆勋。

也２１
ｙ２ｌ＝ｌ（Ⅳ２＋巩）ｃｏｓＢ２ｓｉ吐：（１）
【历Ｊ【【北（１一ｅ２）＋日２】ｓｉ曲２Ｊ
其中，Ⅳ２＝Ⅱ／、／Ｔ刁丽，口为长半轴，ｅ为偏心率。

（２）再转换到以地面站为原点、东向为Ｘ轴方向、北《电子技术应用》２００９年第６期
向为ｙ轴、垂直地面为Ｚ轴的坐标系上。

ｆ钇１ｆｘ２一（Ⅳｌ＋Ⅳ１）ｃｏ嘏１ｃｏ正Ｉ１
Ｉ弛Ｉ＝Ａ’１｝ｙ２一（Ⅳｌ＋Ｈ１）ｃｏｓＢｌｓｉｎＬｌＩ
【：２Ｊ【ｚ２一【Ⅳｌ（１一ｅ２）＋日１】ｓｉｎ８１Ｊ
ｆ—ｓｉ曲ｃｏ吐一ｓｉ以ｃｏ嘏ｃｏ也１
Ａ＝Ｉ—ｓｉ曲ｃｏ吐ｃｏ止ｃｏ嘏ｓｉ以ｌ
【ｃｏｓ日０ｓｉｎ曰Ｊ
ａｒｃｔａｎ（弛，茗２）
（２）
（３）
（４）通过式（３）即可得到方位角Ａ，，其中ｒ为无人机与地面站距离。

２．２伺服电机控制【２－４】
该天线转台伺服是一种位置伺服控制，系统结构如图３所示。

为保证转动力矩平稳，无刷电机的线圈电流采用比例一积分ＰＩ反馈控制，ＰＩ控制就能保证很好的力矩控制特性。

而位置控制则采用比例一积分一微分（ＰＩＤ）反馈控制，加入积分可以消除位置误差。

●－－－－－．…．－－－－－－－·－－－－·…．－。

图３转台伺服控制系统结构
为保证位置伺服的平稳运行，避免急动急停给天线带来冲击，故伺服过程中加速度、转速、转角随时间变化如图４所示。

此外，对于控制器ＰＩＤ参数可以参考表ｌ
ｎ乃死时ｆＨｊ￡
图４加速度、转速、转角随时间变化曲线
一种无人机通信天线伺服系统的构建
作者：黄伟， 周乃恩， 王诚， 李江宏， HUANG Wei， ZHOU Nai En， WANG Cheng， LI Jiang Hong
作者单位：中国航天十一院,第十一总体部,北京,100074
刊名：
电子技术应用
英文刊名：APPLICATION OF ELECTRONIC TECHNIQUE
年，卷(期)：2009，35(6)
被引用次数：0次
1.徐绍铨.张华海.杨志强GPS测量原理及应用 1998
2.金石.张晓林.马文智一种无人驾驶直升机天线跟踪系统的研制[期刊论文]-北京航空航天大学学报 2003(04)
3.卢飞星.亓迎川.牛全民单片微机控制雷达天线控制系统的设计[期刊论文]-现代雷达 1999(04)
4.林宏斌数字角跟踪系统设计 1990(03)
1.期刊论文许宗飞.袁冬莉.刘小俊.Xu Zongfei.Yuan Dongli.Liu Xiaojun基于GPS射频模拟信号源的无人机导航
系统研究-计算机测量与控制2010,18(3)
为了在室内验证卫星导航功能,采用飞机模型计算机、GPS硬件仿真器和GPS射频模拟信号源,提出了一种模拟卫星动态绝对定位的设计思想;根据导航计算需要,对系统中涉及到的不同坐标系进行转换;搭建半物理仿真平台,给出无人机自主导航的验证方案;仿真结果表明,基于GPS射频模拟信号源的无人机导航验证方法切实可行,导航系统具有良好的稳定性.
2.期刊论文晋志普.陆文娟.朱纪洪.李冬用无人机 GPS系统对雷达进行精度评定的方法-清华大学学报(自然科学
版)2001,41(9)
提出了一种新的雷达精度评定方法,即利用搭载全球定位系统(GPS)的小型无人机做为雷达的跟踪目标,对雷达测量精度进行评定.在研究评定方法的基础上,分析了数据处理方法和雷达评定工作对GPS系统定位精度的要求.为了提高无人机的定位精度,系统采用了差分GPS定位技术,即根据地面基准站测量GPS的定位误差来修正无人机的测量结果,并采用Kalman滤波方法来抑制观测噪声,进一步提高无人机的定位精度.仿真测试表明,这种方法可以满足雷达评定的精度要求,同时具有简单、经济、可靠的优点.
3.学位论文龚真春GPS在微型无人机导航定位中的研究与应用2005
微型无人机在军事和民用方面都具有广泛的应用价值,长期以来都是国内外很多机构和组织的热点研究项目.导航与定位系统在微型无人机自主飞行中占有重要的地位.本文侧重于微型无人机导航定位系统的研究与应用.限于微型无人机对导航器件的体积、重量和成本的要求,用于大型无人机的导航方法无法在微型无人机上使用.本文在考虑微型无人机特点及其对导航定位需求的基础上,研究了全球定位系统GPS在其导航定位中的应用.论文首先回顾了目前采用的导航定位方法,介绍了卫星导航定位的发展历程,给出了微型无人机导航定位系统的构成.第二章重点阐述了GPS的组成和导航定位原理.为提高GPS导航定位精度,在第三章中着重介绍了几种差分GPS定位模型,并对差分GPS基准站坐标的精确测定进行了研究,利用现有GPS设备对基准站的坐标进行了测定试验,给出了实验结果.第四章主要讨论了如何将GPS导航定位结果转换为用户实用坐标的问题.对实际的微型无人机导航用到的坐标转换公式作了一些合理的简化,给出了实时动态定位坐标转换公式,并对这些坐标转换公式的有效性和实用性进行了相应的论证.第五章针对GPS和惯性导航定位的各自不足之处,研究了GPS/MIMU组合导航系统,实验仿真结果表明,该组合导航系统在精度和可靠性方面,较单一的导航系统都有明显的改善,并且提高了可靠性和抗干扰能力.在本篇论文的最后,就微型无人机导航定位系统的下一步工作做了一定的探讨和展望.
4.期刊论文陈鹏.闫建国.曾赟.CHEN Peng.YAN Jian-guo.ZENG Yun DSP和TL16C752在无人机GPS导航系统中的应用
-测控技术2009,28(2)
针对某无人机导航系统通信数据量大、实时性高,GPS信息关键的特点, 设计了一种基于DSP和外扩串口收发芯片TL16C752的GPS数据接收方案:包括硬件接口电路和软件实现.介绍了TL16C752的特点和使用方法,选择GARMIN的GPS15L接收机,解决了因为DSP的两个UART异步通讯串口中断级别比较低,容易被其他系统或外设中断的问题,提高了中断级别,保证了GPS数据的完整性.实际飞行实验证明该方法实现了无人机GPS定位数据的接收,系统简单,可靠.
5.期刊论文王小斌.闫建国.凌琼.Wang Xiaobin.Yan Jianguo.Ling Qiong基于GPS仿真器的无人机导航系统半物
理仿真研究-计算机测量与控制2008,16(3)
讨论了无人机导航半物理仿真系统中GPS仿真器的设计方法;根据GPS接收机输出信息的特点和WGS-84与各种坐标系的转换关系,将飞机模拟系统解算得到的无人机位置信息转换成与之对应的GPS信号传输到导航链路,用于无人机航迹控制;根据导航飞控系统功能的要求,构建了一个半物理仿真平台来验证此系统,试验结果证明了采用模拟GPS仿真器完全可以对导航软件的功能进行有效的验证,并达到了预期设计要求.
6.学位论文周树春基于GPS的无人机自动着陆控制系统设计与实现2007
论文跟踪国际国内无人机自动起飞和着陆技术的最新发展趋势，结合具体项目，在充分掌握无人机建模和仿真系统相关理论地基础上，解决了无人机高精度进场着陆导引控制、无人机起降滑跑建模与模型分析、无人机地面滑跑综合自动控制、无人机着陆轨迹跟踪与发动机综合控制等关键技术，采用MATLAB/Simuliflk/Stateflow仿真工具建立了相应的仿真模型和完整的系统仿真平台。

论文的主要研究成果如下：
一、差分GPS建模方面：建立了差分GPS误差模型。

该模型是在分析对比各种差分GPS定位原理基础上，根据产生误差的不同类型建立的。

二、系统建模方面：以无人机为对象，建立了无人机起飞和着陆的非线性仿真模型，并运用小扰动方法对其进行线性化。

同时，本论文在参考相关资料的基础上，建立了无人机地面滑跑模型。

三、无人机自动着陆部分：分别设计了下滑轨迹跟踪控制系统、四次曲线拉平控制系统及侧向偏离修正控制系统。

该系统采用经典控制律设计方法，利用差分GPS信号作为导引信号，并满足相关标准规定的控制系统性能要求；设计了无人机的地面滑跑纵向和侧向控制系统。

该系统采用升降舵控制、阻力方向舵控制、操纵前轮偏转和操纵后轮刹车等控制方法。

为了验证系统的鲁棒性，在所设计的控制系统中加入了几种常见的风干扰。

四、无人机自动起飞部分：分别设计了无人机地面滑跑控制系统和拉起爬升控制系统，并设计了相应的控制律。

本论文设计了无人机自动起飞和着陆控制系统的一种方案，仿真结果表明所设计的自动控制系统基本符合要求。

相信本论文所做的工作会对我国今后无人机自动起降技术的发展提供有益的参考。

7.期刊论文张剑锋.刘秉华.ZHANG Jian-feng.LIU Bing-hua基于GPS/航路推算的无人机导航与控制研究-弹箭与
制导学报2007,27(4)
给出了一种小型隐身性无人机的平面导航与控制方案.基于GPS/航路推算组合导航方法,文中利用Matlab的SimuLink工具箱建立了无人机六自由度模型,设计了相应的水平控制与导航方案,给出了一种风场估计方法以及风场下的航迹修正方案,并针对某具有隐身功能的无人机进行了导航控制律设计.最终的仿真结果验证了该组合导航方法以及相应制导律的可靠性和实用性.
8.期刊论文李林.张河.LI Lin.ZHANG He基于GPS和红外成像的新型无人机总体设计-红外技术2006,28(4)
在考虑超小型无人机特点及其对导航定位需求的基础上,介绍了一种新型无人机的总体设计思想.利用微型惯性测量单元(MIMU)、GPS接收机和红外成像系统等新技术,设计了一种低成本、轻小型的具有制引一体化的复合导航定位的攻击型无人机系统,该无人机具有自动导航定位、目标识别、精确炸点控制等功能.针对新概念武器弹药的发展要求,采用DSP、FPGA、卡尔曼滤波与软件无线电技术,解决实时性、通信等方面的难题,提高了导航能力和引战系统的性能.同时,对系统的关键技术及解决途径也进行了分析.仿真结果表明,该无人机具有较好的性能,对于发展武器弹药具有广阔的应用前景.
9.期刊论文王彦杰.周树道.代义明.王敏.朱国涛.WANG Yan-Jie.ZHOU Shu-Dao.DAI Yi-Ming.WANG Min.Zhu Guo-
Tao基于气象无人机GPS/DR组合导航的单步长测风方法研究-传感器世界2010,16(7)
针对气象无人机GPS/DR组合导航的特点,提出了一种利用位置构成的矢量三角形关系进行风场测量的新方法,并提出了单步长风场测量,最后对测量结果进行了仿真,结果表明:采用单步长测量时风速变化频率较高,能够将风场高频信号的变化特点反映出来,测量精度较高,均方差为4m/s.可以作为气象无人机测风的一种新方法.
10.期刊论文龚真春.宋执环.李平.GONG Zhen-chun.SONG Zhi-huan.Li ping超小型无人机GPS导航中的坐标转换
-兵工自动化2005,24(4)
超小型无人机GPS导航中,用简化高次项的高斯投影正算法将WGS-84大地坐标投影变换为高斯平面坐标,通过投影变换及在投影面上转换坐标实现坐标转换.并用相似变换法将GPS接收到的WGS-84大地经纬度高斯投影后强制转换统一,以实现坐标匹配.此算法可满足超小型无人机机载GPS导航和实时监控系统的精度要求.
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下载时间：2011年1月1日。